飛機(jī)的部件成千上萬,其中很多的結(jié)構(gòu)件為鈑金件或復(fù)合材料組成的薄型板狀結(jié)構(gòu),其特點是外形復(fù)雜,連接面多為不規(guī)則曲面,同時其材料和形狀決定了其具有的工藝剛性相對比較小,容易變形,給加工和裝配都帶來了比較大的困難。近年來,隨著自動化水平的不斷提高,通過引入了先進(jìn)的數(shù)控技術(shù),使得零件的加工技術(shù)得到了大幅度的提升,零件的制造周期大大縮短,品質(zhì)也得到了很大的改善。但是,飛機(jī)的部件裝配與整體機(jī)身的裝配仍沿用傳統(tǒng)的方法,無法適應(yīng)先進(jìn)的數(shù)控加工技術(shù)帶來的效率的提高。飛機(jī)裝配技術(shù)已經(jīng)制約著飛機(jī)制造業(yè)的發(fā)展。本文主要介紹了通過使用Elmo運動控制系統(tǒng),借助多點成形技術(shù)實現(xiàn)飛機(jī)柔性數(shù)字化裝配。
系統(tǒng)工藝流程
圖1示出工藝流程。多點成形技術(shù)是柔性工裝設(shè)計的技術(shù)基礎(chǔ),其基本原理為采用多個均勻離散的點來擬合飛機(jī)裝配部件的三維型面,通過精確的數(shù)字建模,控制各點的點位來達(dá)到精準(zhǔn)的控制,使工裝表面完全貼合飛機(jī)零件表面。使用這種柔性裝配技術(shù)可以使飛機(jī)裝配型架的制造周期大大縮短,并可以取代大部分固定裝配型架。同時由于其采用了離散式的點位控制方式,使得該系統(tǒng)具有可重構(gòu)性,一套該系統(tǒng)可以完成多種表面形狀的零件工裝。
圖1 工藝流程圖
固定飛機(jī)薄壁板采用的是行列可移動式動態(tài)工裝,其基本元器件為可移動的導(dǎo)軌副以及高度可以調(diào)整的支撐夾持單元,以上元器件的控制均通過數(shù)控伺服完成,通過伺服的不同位置調(diào)整使整個工裝系統(tǒng)按照理論的點位分布,使蒙皮達(dá)到理論的工裝外形。
系統(tǒng)框架
本系統(tǒng)主要包括以下幾個部分:系統(tǒng)計算機(jī)主要計算并且給出數(shù)學(xué)模型;人機(jī)界面可以實時的顯示和設(shè)定一些現(xiàn)場的工作參數(shù);三維激光測量可以反饋實際的位置值回當(dāng)前的系統(tǒng)計算機(jī);以色列Elmo公司的MAESTRO多軸控制器為本運動控制系統(tǒng)的核心,配合CAN總線上掛接的多顆Elmo公司的伺服驅(qū)動器完成對多個點位的位置控制;同時,由于工藝方面需要的夾持等功能,故CAN總線上還掛接有一些現(xiàn)場總線I/O。如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)框架
通訊部分
通訊部分,主要包括兩大層面:
第一層面為以太網(wǎng)層
滿足標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議,應(yīng)用該通訊方式主要有以下好處:
通訊距離長,以太網(wǎng)的通訊極限一般可以控制到200m,基本上滿足了大型飛機(jī)等設(shè)備的裝配空間,同時避免了使用光纖通訊所耗費的大量的成本;
標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議,普通的計算機(jī)、工控設(shè)備可以很好的接入;
一般用戶都比較熟悉使用,應(yīng)用控制等技術(shù)相對比較穩(wěn)定、成熟;
同時配合人機(jī)界面在設(shè)備現(xiàn)場通過RS-232方式操控和設(shè)定工作參數(shù),彌補(bǔ)了以太網(wǎng)長通訊距離造成的操作不便。
第二個層面為現(xiàn)場總線層面
采用了目前在歐美普遍使用的CAN總線形式,使用該總線會給該系統(tǒng)帶來如下的好處:
CAN總線為一種集分布式控制和實時控制于一體的串行通訊局域網(wǎng)絡(luò),其高可靠性、高性能、高實時性等特點已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可和應(yīng)用;
本系統(tǒng)使用的CAN總線全面支持CANOpen 層面的DS301、DS305、DS401、DS402等協(xié)議,DS401、DS402這兩個協(xié)議為基于運動控制所開發(fā)的通訊協(xié)議,可以直接應(yīng)用于運動控制場合;
由于以色列Elmo公司的產(chǎn)品全部采用的是CANOpen協(xié)議,其相關(guān)的通訊底層協(xié)議全部為開放式,方便客戶與自己的其他設(shè)備連接通訊;
CAN總線上可以掛接其他的設(shè)備, 例如現(xiàn)場總線I/O,但是所掛接設(shè)備必須支持CANOpen協(xié)議;
每個CAN總線理論上可以支持最多108個節(jié)點(Node),以色列Elmo公司目前的MAESTRO多軸控制器最多具有2路CAN總線,理論上最多支持216個節(jié)點,每個節(jié)點均可以掛接伺服電機(jī)或者CAN總線設(shè)備,故對于未來設(shè)備的擴(kuò)展帶來了很多的方便之處。
MAESTRO的特點
以色列Elmo公司設(shè)計生產(chǎn)的MAESTRO為一種基于網(wǎng)絡(luò)的多軸運動控制器,可以完成2D、2.5D的差補(bǔ),多個軸的同步以及開始、停止等類似 PLC的運動控制功能,同時其在整個系統(tǒng)的通訊層面可以完成的工作很豐富,諸如:網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān);各個節(jié)點的狀態(tài)的監(jiān)控;運動的網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程訪問和控制;CAN現(xiàn)場總線的主站等。
一種基于MAESTRO的多軸運動控制系統(tǒng)可以簡單的用如圖3所示的框圖來表示:
圖3 多軸運動控制器框圖
其中,需要明確幾個定義:
軸:每一臺驅(qū)動器與每一臺電機(jī)組成對,完成單個運動的控制,稱其為軸。
組:由多個軸組成,可以由MAESTRO發(fā)相同的同步指令到組里面的各個軸,其中每個獨立的軸均可以完成獨立的運動,同時要求構(gòu)成組的每個軸的運動形式必須要一致。組可以定義多個。
矢量組:一般為由兩個獨立的軸組成的組,通過嚴(yán)格的控制時鐘同步來獲得精確的單軸運動定位,借此獲得期望的系統(tǒng)性能,同時矢量組可以完成2個軸的直線差補(bǔ)、圓弧差補(bǔ)以及螺旋差補(bǔ)等功能。同樣,矢量組也可以定義多個。#p#分頁標(biāo)題#e#
圖4 MAESTRO的基本構(gòu)成
其中,按照功能不同,將其內(nèi)部分為了五層,分別用不同的顏色表示,具體功能如下:
作為CAN現(xiàn)場總線主站的MAESTRO可以提供很多的網(wǎng)絡(luò)功能,其中包括了完成網(wǎng)絡(luò)配置;偵測并描述出CAN網(wǎng)絡(luò)中存在的CAN設(shè)備;通過使用標(biāo)準(zhǔn)的CANOpen協(xié)議完成CAN網(wǎng)絡(luò)信息的接收和發(fā)送;CAN網(wǎng)絡(luò)報警信息處理;根據(jù)其內(nèi)部自帶的同步機(jī)制完成時鐘同步;通過使用CANOpen 的 DS301、DS305、DS401、DS402協(xié)議完成各個CAN設(shè)備之間的通訊等。同時,其作為同步運動控制器還可以實現(xiàn)以下一系列的同步功能: 發(fā)送同步運動指令到指定的運動單元軸;同步運動單元軸之間的啟動和停止等動作;通過其內(nèi)部的callback功能實現(xiàn)對運動完成以及Elmo驅(qū)動器內(nèi)部定義的觸發(fā)條件等的監(jiān)控;以及發(fā)送通知到上位機(jī)等。
在與上位機(jī)通訊的過程中,MAE-STRO可以使用的通訊方式有TCP/IP以及RS-232。通過該通訊可以完成的功能包括:程序的上傳和下載;系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)反饋;用戶程序運行情況的反饋;傳輸和解釋對MAESTRO的指令以及對任意一臺終端CAN設(shè)備的操作指令。用戶還可以通過使用 Elmo公司提供的Composer軟件通過這條通路完成對終端Elmo驅(qū)動器的直接操作和監(jiān)控。
在運行用戶程序方面,MAESTRO也有其獨有的一些特點:其作為一個全面可編程的運動控制器可以實現(xiàn)并完成多軸運動的編程工作;可以運行一個或者多個用戶程序;用戶可以通過使用MAESTRO的編程語言來實現(xiàn)對其的編程操作,其編程語言與Elmo公司的驅(qū)動器的編程語言類似,都屬于類C的計算機(jī)語言,非常容易掌握;同時,其編程環(huán)境可以使用Elmo公司提供的Elmo Studio軟件來輕松實現(xiàn)。
基于以上的諸多特點,通過MAESTRO與Elmo智能型驅(qū)動器的配合使用,筆者便構(gòu)成了一套分布式控制系統(tǒng)的基本框架,用戶可以根據(jù)自己的使用工藝要求和具體的工況來選擇合適的搭配和擴(kuò)展,可靠穩(wěn)定的完成預(yù)期功能。
圖5 內(nèi)部功能示意圖
結(jié)語
目前,應(yīng)用該套分布式控制系統(tǒng)的飛機(jī)柔性裝配系統(tǒng)已經(jīng)通過了國家的驗收,準(zhǔn)備投入批量生產(chǎn)。由于國內(nèi)對于CAN總線的研究起步比較晚,在具體應(yīng)用方面相對于國外也有很大的差距,對這方面的了解也并不是很全面,還處于摸索階段。但是通過該項目的成功應(yīng)用,更加堅定了公司對這種分布式控制系統(tǒng)的推廣信心。我們將會加倍努力,將該套控制系統(tǒng)應(yīng)用于諸如醫(yī)療、紡織、印刷等更多的行業(yè)和領(lǐng)域。
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